Blast vibration signal analysis based on wavelet packets of a mine
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摘要: 为了解某矿爆破震动波传播规律,在去噪的基础上对信号进行4层db8小波包分解,提取噪声和频段分信号.分析表明,噪声易与真实信号混叠,使PPV增大或减小,降低原始信号的准确性与可靠性;真实信号在0～256 Hz 均有分布,各频段未见明显集中现象,但在同一爆破中,随着传播距离的增加,速度有向低频集中的趋势.最后,将数据进行线性拟合,获取了爆破震动波的衰减规律公式,为该矿爆破设计提供了依据.Abstract: In order to understand blast vibration wave propagation of a mine, noise and signal components of each band are extracted on the basis of signal de-noising after four layers signal decomposition with db8 wavelet packet. Analysis shows that aliasing of real signal and noise will cause PPV increasing or decreasing which can reduce the accuracy and reliability of the original signal. Real signals are distribution within 0~256 Hz with no significant concentration in each frequency band. But, in the same blasting, with the increasing of propagation distance, speed tends to concentrate on low frequency. Finally, attenuation law of blasting vibration wave formula is acquired by linear fitting of data which provides the basis for the mine blasting design.
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Keywords:
- blast vibration signal /
- wavelet packets /
- noise /
- frequency /
- velocity /
- formula
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震动是爆破的主要危害之一[1-3]，是一个涉及爆源、传播介质、受震物体，受爆破参数、地质地层、结构响应等因素影响的复杂过程[4-5].在地下矿山，频繁爆破产生的震动对采空区、巷道、井筒、支护体、地表构筑物和尾矿库坝体的稳定性造成了极大的危害，信号的获取和分析研究是矿山爆破研究的重要内容[6-7].小波包技术具有多分辨分析特性，适合处理爆破震动等非平稳信号，针对小波技术只对低频部分持续分解， 造成高频部分频率分辨率差，小波包技术对信号高频部分同样细化分解，提高了信号高频部分的分辨率，是一种更加精细的信号分析方法[8-10]. 为此，借助小波包技术对某矿爆破震动信号进行分析.
1 矿山与测试
1.1 矿山概况
该矿位于地表侵蚀面之上，是急倾斜中厚矿体，矿石、夹石和顶底板围岩稳固性好;矿区含水层少，岩组富水性较弱，水文地质情况较好.采用水平扇形深孔阶段矿房法开采矿体(图 1)，矿房沿走向布置，长度56 m，宽度12.7 m，阶段高度50 m，顶柱5 m，间柱6 m.炮孔由YT一28 型钻机钻进，孔径62~65 mm，孔深5~20 m，崩矿时采用导爆管雷管孔内微差起爆，水平扇形炮孔由下往上逐排爆破，矿石靠自重下放到底部结构.
1.2 仪器与测点
现场测试分5 组(A、B、C、D、E)实验，见图 1，爆源集中在该矿79 线的+372 m 分段的采矿进路和切割巷道，测点(1、2、3、4、5)布置在+384 m 分段的放顶巷道.
测试仪器为BlastmateⅢ 爆破测震仪[11]，当质点速度超过0.1 mm 时，传感器自动触发，采样持续时间6 s，D、E 组采样率2 048 ，A、B、C 组采样率4 096，为方便分析，对其进行抽稀，变成2048.
1.3 测试结果
表 1是测震仪记录数据，图 2是B 组实验测试2号点的原始波形图，噪声充满整个时间采样坐标，波形出现只有正值部分的异常现象，信号分辨率差，分析前须进行去噪处理.
表 1 原始数据
2 小波包去躁
小波包去噪通常采用阔值法去噪，其基本步骤有[12-14]: ① 选定合适的小波基，对原始信号进行一定层次的分解; ② 确定阔值并对最底层小波包高频系数进行阔值量化; ③ 重构最底层小波包低频系数和经过量化处理的高频系数，得到真实信号.
爆破震动信号衰减迅速，常采用db 和sym 两类小波基进行分析[15]，图 3是采用db8 小波基对原始波形进行3 层小波包分解去噪后的波形.去噪后，信 号的质点峰值速度(PPV) 由0.l52 0 cm/s 变成0.l53 0 cm/s，噪声强度达到0.0l6 5 cm/s.
3 小波包分解
奈奎斯特频率为采样率的一半[16]，故信号的频率范围为0-l 024 Hz，选定db8 小波基对去噪后获取的真实信号进行4 层分解，则可获取24个频段长度为64 Hz 的分信号，其对应的频率范围分别为0~64 Hz、64~l28 Hz、… 、960~1 024 Hz.0~64 Hz、64~128Hz、64~192 Hz、192~256 Hz 这4 个频段( 图 4)的分信号，幅值较大，有明显的衰减，为信号分布的主要频率区域. 大于256 Hz 频段的分信号幅值很小，是信号的微弱部分，而爆破震动信号频率通常是在200 Hz 以下的区域，这也反证了小波包去噪的有效性.
4 实验分析
测振仪记录的数据变化复杂，规律性差.在相同爆破条件下，1、2、5 号测点的速度和频段分速度大致呈随距离增大而变小的规律.而3、4 号与1、2、5 号测点相比，总速度和频段分速度幅值大，其原因是1、2、5 号测点与爆源中间隔有一条放顶巷道，震动波传播实际距离比理论值更远，3、4 号测点与爆源同侧，震动波理论传播距离即为实际传播距离.
噪声呈随机、多变特性，与测试环境、传播介质等因素有关，但常与真实信号混叠，造成信号波形淹没，使PPV 增大或减小，降低原始信号的准确性与可靠性.
总体而言， 爆破震动速度在各频段均匀分布，没有明显集中现象，见表 2.但在一次爆破中，1、2 测点频段4 的分速度相对频段1、频段2 大，由于高频振动波在传播过程中容易被吸收，5 测点频段2 的分速度相对频段4 大，也即随着传播距离的增大，速度有向低频集中的趋势.实际工程中，在井筒、地表等地，距离爆源较远，爆破震动波频率易接近于构筑物的固有频率，产生共振效应，加大爆破震动危害.
表 2 频段分信号
为得出速度V、药量Q和距离R的关系，将国内外普遍采用的萨道夫斯基公式$V=k{{\left( \sqrt[3]{Q}/R \right)}^{a}}k\rho \left( k \right)$是与爆破条件有关的系数、a是与传播地层和介质有关的衰减指数、ρ是药量Q与距离R的组合值称为比列药量)引人，对去噪后的数据进行线性拟合，见图 5，得出a=1.459 5、k=10.657 0，也即该矿爆破震动速度的经验公式为$V=10.657{{\left( \sqrt[3]{Q}/R \right)}^{1.4595}}$.
5 结论
1) 噪声易与真实信号混叠，造成信号波形被淹没，使PPV 增大或减小，降低原始信号的准确性与可靠性.
2) 真实信号在0-256 Hz 均有分布，各频段未见明显集中现象，但在同一爆破中，随着传播距离的增加，速度有向低频集中的趋势.
3) 通过线性回归，得出该矿的萨道夫斯基公式衰减系数a=1.459 5、k=10.657 0，从而确定了爆破震动波衰减的经验公式，为矿山爆破设计提供了一定依据.
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